초록 ▼

○ 연구결과
1. 실내 정화실험 연구
∘현장 토양으로부터 종속영양 토착탈질미생물 Pseudomonas sp. KY1을 분리하여 회분식 실험을 실시한 결과, 탈질에 적합한 탄소 주입량은 C:N 비율 3:1로 산출
∘100 mg/L 농도의 질산성질소 인공오염수에 대하여 C:N 비율을 다르게 조절한(1:1, 3:1, 4:1, 10:1) 1차원 실내컬럼(지름 × 길이 = 4 cm × 20 cm) 실험을 수행한 결과, 180시간 후 모든 칼럼에서 80% 이상 정화효율을 보였고, 유기탄소(C, 당밀)의 비율 차이에도 불구하고

○ 연구결과
1. 실내 정화실험 연구
∘현장 토양으로부터 종속영양 토착탈질미생물 Pseudomonas sp. KY1을 분리하여 회분식 실험을 실시한 결과, 탈질에 적합한 탄소 주입량은 C:N 비율 3:1로 산출
∘100 mg/L 농도의 질산성질소 인공오염수에 대하여 C:N 비율을 다르게 조절한(1:1, 3:1, 4:1, 10:1) 1차원 실내컬럼(지름 × 길이 = 4 cm × 20 cm) 실험을 수행한 결과, 180시간 후 모든 칼럼에서 80% 이상 정화효율을 보였고, 유기탄소(C, 당밀)의 비율 차이에도 불구하고 탈질율 차이는 미미함을 확인
∘액상 당밀, 미결정셀룰로우스, 무수규사, HPMC(또는 파라핀)를 혼합하여 장기제어방출이 가능한 고체 당밀정화제를 개발하였고, 1차원 실내컬럼(지름 × 길이 = 2 cm × 12 cm, 질산성질소 농도 20 mg/L) 실험에 적용하여 활용 타당성을 검토한 결과, 95 시간 경과 후 33%, 167 시간 경과 후 56%, 215 시간 경과 후 68%, 361 시간 경과 후 86%의 질산성질소 정화효율이 산출되어, 당밀정화제의 활용가능성을 확보
2. 종속영양탈질과 당밀정화제를 이용한 관정형 반응벽체 수리시험장 연구
∘관정주입이 편리하고 장기제어방출이 가능한 고체 당밀정화제(지름 × 길이 = 4 cm x 30 cm)를 액상 당밀, 미결정셀룰로우스, 무수규사, 파라핀을 혼합하여 제조하였고, 한국농어촌공사 농어촌연구원의 지하수 수리시험장에 설치된 현장규모 관정형 반응벽체(길이 × 너비 × 깊이 = 3m × 4 m × 2 m)에 주입한 뒤 정화실험을 실시
∘수리시험장 토양에서 토착 탈질미생물 Ensifer sp. KY2를 분리하여 탈질미생물의 존재를 확인한 뒤 탈질 실험(1, 2차)을 실시하였고, 이 후 현장 토양에서 분리한 Pseudomonas sp. KY1을 대량 인공 증식 후 지하수 수리시험장 토양에 주입하여 탈질 실험(3차)을 실시
∘정화실험 결과, 32 mg/L 농도의 질산성질소 인공오염지하수에 대하여 1, 2, 3차 실험 각기 평균 ～82%, ～91%, ～88%의 최종 정화효율 산출하였으며, 당밀주입구간에서는 탈질이 발생하나(실험군; 1.0 m 깊이), 미주입한 구간에는 발생하지 않음을 확인(대조군; 1.5 m, 2.0 m 깊이)
∘탈질특이유전자인 nirK 가 Ensifer sp. KY2에서 유래함을 DGGE 기법으로 확인하였고, nirK등의 탈질특이유전자가 현장 탈질가능성 유무를 판단할 수 있는 탐침으로 활용 가능함을 확인
3. 독립영양탈질과 황탈질을 이용한 관정형 반응벽체 수리시험장 연구
∘독립영양 황탈질 미생물 Thiobacillus denitrificans를 인공 증식하여 황입자에 부착시키는 대규모 배양수통(1 ㎥) 실험을 실시하였고, 황탈질 미생물은 황입자 부착 중 85 mg/L 농도의 질산성질소 수용액을 부착 종료 시(60일)까지 ～52 % 제거함을 확인
∘황탈질 미생물이 부착된 황입자 주입틀을 지하수 수리시험장의 관정형 반응벽체 (길이 × 너비× 깊이 = 3 m × 4 m × 2 m)에 주입하여 정화실험을 실시하였고, 41 mg/L 농도의 질산성질소 인공오염지하수는 28일 간 최대 ～15%, 63 mg/L의 질산성질소 인공오염지하는 14일 간 ～8% 정화효율 산출함을 확인
4. 현장 정화실험 연구
∘현장의 연간 수질･수위 모니터링 결과, 축산 분뇨 발생지로부터 연구부지로 지하수가 유동하여 현장 지하수 수질에 주로 영향을 끼치는 오염인자는 축산분뇨임을 확인하였고, 축산 분뇨와 비료를 살포하는 4월에 질산성질소 농도가 고농도를 나타냄을 확인
∘연구부지의 질산성질소는 환원환경에서 탈질반응에 의해 저감이 가능하지만, 동시에 환원환경에서는 Fe, Mn 농도의 증가를 초래하여 또 다른 오염을 일으킬 가능성을 확인
∘대수성 시험 결과, 수리전도도는 1.93×10^-3 cm/s 내외의 일반적인 사질대수층의 범위이고, 저유계수는 0.001～0.003 범위로 낮은 편이며, 물리 탐사 결과, 연구지역 충적층 토양은 이방성이 크지 않고 수평 층상으로 분포함을 확인
∘연구부지의 연간 수질․수위 모니터링 및 오염물질 거동 모델링 결과를 토대로 현장 관정형 반응벽체 적지 선정을 하고, 총 22개 (깊이 3.0～4.5 m 범위, 관정 간격 1 m) 관정형 반응벽체를 설치한 뒤, 수리시험장에서 정화효율이 우수하게 산출된 당밀정화제를 이용한 관정형 반응벽체 방법을 적용한 결과, 72 mg/L의 질산성질소 오염지하수에 대하여 ～55% 정화효율을 산출하여 현장 적용성을 확보
∘nirK와 nirS의 탈질특이유전자를 보유한 탈질미생물이 반응벽체 전･후에 존재함을 확인하여, 탈질특이유전자는 당밀정화제를 이용한 관정형 반응벽체 정화가 성공할 수 있는지 여부를 사전에 가늠할 수 있는 탐침으로서 활용 가능함을 확인
5. 당밀정화제 내구연한 예측을 위한 수치모델 개발 및 설계기준 제시
∘당밀정화제에서 용출된 당밀의 시간에 따른 대수층 내 농도 분포를 예측 가능하도록 질량전이 모델을 기반으로 당밀 배출 모델을 개발하였고, 수치해석학적 모사 결과, 당밀 농도는 약 40일 이상 10 mg/L 농도 이상을 유지하는 것으로 예측되었으며, 당밀운의 종-방향 및 횡-방향의 크기는 각기 당밀의 용해 속도 및 대수층의 분산지수에 의해 좌우됨을 확인
∘관정형 황탈질 반응벽체는 관정 내 처리기작을 기초로 하는 바, 개별 관정 간 수직거리는 포획 너비의 2배 이하가 되도록 설계하고, 관정형 당밀탈질 반응벽체는 관정 외 처리기작을 기초로 하는 바, 30 mg/L의 질산성질소 오염지하수 정화를 위하여 개별 관정간 수직 거리를 0.2 m 로 설계함이 바람직

Abstract ▼

Ⅳ. Results
1. Lab-scale studies
○ Isolation of an indigenous bacterium from the soil samples in a manure-dumped agricultural site and determining it as Pseudomonas sp. KY1, which is a main denitrifier to use molasses as a carbon source
○ Determining of most effective use of molasses for den

Ⅳ. Results
1. Lab-scale studies
○ Isolation of an indigenous bacterium from the soil samples in a manure-dumped agricultural site and determining it as Pseudomonas sp. KY1, which is a main denitrifier to use molasses as a carbon source
○ Determining of most effective use of molasses for denitrification at the C:N ratio of 3:1
○ From a column test, nitrate-nitrogen of 100 mg/L decreased to less than 20 mg/L in 180 hours at each C:N ratio of 1:1, 3:1, 4:1, and 10:1
○ Manufacturing of prototype CRM material using molding technique by dispersing molasses in hydroxypropyl methylcellulose-cellulose-silica matrix
From a column test using prototype CRM, nitrate-nitrogen ○ of 20 mg/L decreased with time, showing approximate ～33% within 95 hours, ～56% 167 hours, 68% 361 hours, and 86% within 361 hours
2. Pilot-scale studies : A tracer test
○ Performing a tracer test in a pilot scale flow tank (L × W × D = 8 m × 4 m × 2 m, Hydraulic conductivity of 8.01 × 10^-2 cm/sec) of KRC
○ Application results from the test to each dispersivity equation mentioned from a few references (Fried and Combarnous, 1971; Neuman, 1990; Gelhar et al., 1992; Xu and Eckstein, 1995)
○ C_max values calculated from equations of Neuman(1990) and Xu and Eckstein(1995) were in good agreement with the measured values, supporting the accuracy of the αL values. The Peclet number estimated using these values ranged from 18.3 to 36.4, where D_L/D_d and D_T/D_d values ranged from 76 to 161 and 6 to 16, respectively.
These data suggested that solute transport in the artificial sandy media of interests was constrained by longitudinal dispersion.
3. Pilot-scale studies : A controlled-release molasses barrier system
○ Manufacturing of CRM rod (OD x L = 4 cm x 30 cm) using molding technique by dispersing molasses in paraffin wax-cellulose-silica matrix
○ Preparing of the CRM system (L x W x D = 3 m x 4 m x 2 m) in destroying nitrate, which was consisted of three layers of discrete barriers installed at 1-m interval
○ Identification of an indigenous bacterium Ensifer sp KY2 from the tank soils, which was considered main denitrifier to use molasses as a carbon source for the first and second test
○ Inoculation of a heterotrophic denitrifier Pseudomonas sp. KY1 to increase destruction efficiency into the flow-tank sands for the third test
○ Nitrate concentrations decreased by 81, 90, and 90% at the first, second, and third tests, respectively
○ No occurrence of denitrification not to be supplied of molasses
○ Identifying of dentrification catabolic genes (nirK and nosZ) from Ensifer sp KY2
4. Pilot-scale studies : A autotrophic sulfur-oxidizing reactive barrier system
○ Attaching and colonizing of Thiobacillus denitrificans as a biological component on the surfaces of sulfur granules as a reactive materals for 60 days
○ For 85 mg/L of nitrate-nitrogen concentration in liquid media diminished with time, showing approximate ～52% for 60 days
○ Preparing of the Sulfur system (L x W x D = 3 m x 4 m x 2 m) in destroying nitrate, which was consisted of three layers of discrete barriers installed at 1-m interval
○ For the 41 mg/L plume of nitrate-nitrogen concentrations, it decreased by ～15% for 28 days, the 63 mg/L plume ～8% for 14 days, respectively
5. Field-scale studies : Site characterizations
○ Groundwater contaminants migrate from the western manure-dumped area to the eastern stream of the study area
○ Groundwater samples showed mainly Ca-HCO₃ type, and its quality is effected by manure and agrochemicals in spring season
○ Nitrate in groundwater can be naturally removed by denitrification process in reducing environments while Fe and Mn concentrations can be increased by desorption process onto soil surfaces
○ Hydraulic conductivity is determined of 1.93×10^-3 cm/s, and storage coefficient range from 0.001 to 0.003 from aquifer tests
○ Little heterogeneity of aquifer media from geophysical method
6. Field-scale studies : Application of the CRM system
○ Applications of the CRM system, which showed a high nitrate removal efficiency compared with it of the Sulfur system, into the barrier system of the field
○ Installing of a field scale barrier system comprised of 22 boreholes, which depth range from 3.0 to 4.5 m
○ From water quality analysis, groundwater samples from most of boreholes showed Ca-HCO₃ type mainly, and preferential flow occurred in the barrier system due to differential hydraulic conductivities at each borehole
○ Identifying of dentrification catabolic genes (nirK and nosZ) in soil media
○ Placing CRM rods into boreholes to construct the CRM system based on result of MODFLOW modeling
○ For the 72 mg/L plume of nitrate-nitrogen concentrations, it decreased by ～55%
7. Model application
○ Development of CRM release model modified after mass transform model and MT3D dissolution package
○ Estimation of the mass transform coefficient(K_o) of 1002 and proportional number(ß) of 2.1, respectively
○ From numeric modeling, CRM rod can deliver molasses in a controlled manner into aquifer media with gradually decreasing molasses concentration of ～10 mg/L in 40 days
○ Molasses transports in the aquifer media are constrained by release rates of CRM for longitudinal axis, and dispersivity for transverse axis, respectively
8. Standard specifications
○ A autotrophic sulfur-oxidizing reactive barrier system : the suitable distance between two boreholes should be closer than twice of capture zone width for one borehole
○ A controlled-release molasses barrier system : each borehole should be installed at 0.2 m of distance for 30 mg/L of nitrate-nitrogen plume
○ Times of replacement for the CRM rods can be determined according to the hydrologic and environmental conditions of the target contaminated sites, and CRM can also be adjusted by changing ratios of the constituents to meet the cleanup requirements of the target contaminated zone

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 11
• CONTENTS ... 19
• 목차 ... 22
• 표차례 ... 25
• 그림차례 ... 27
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 32
• 제1절 연구개발의 필요성 ... 32
• 제2절 연구개발의 목적 ... 33
• 제3절 연구개발의 추진체계 ... 37
• 제2장 국내·외 기술개발 현황 ... 38
• 제1절 해외수준 ... 38
• 제2절 국내수준 ... 43
• 제3절 국내·외 기술과의 차별성 ... 45
• 제3장 투수성 반응벽체 공법 ... 50
• 제1절 오염된 지하수 정화처리 공법 종류 ... 51
• 제2절 오염정화기술 선정 ... 58
• 제3절 투수성 반응벽체 ... 61
• 제4장 연구내용 및 결과 I : 실내실험 연구 ... 70
• 제1절 서론 ... 70
• 제2절 연구방법 ... 72
• 제3절 연구결과 ... 81
• 제4절 결론 ... 99
• 제5장 연구내용 및 결과 II : 지하수 수리시험장 추적자 시험 ... 105
• 제1절 서론 ... 105
• 제2절 연구방법 ... 105
• 제3절 연구결과 ... 106
• 제4절 결론 ... 111
• 제6장 연구내용 및 결과 III : 당밀탈질 관정형 반응벽체 연구 ... 112
• 제1절 서론 ... 112
• 제2절 연구방법 ... 113
• 제3절 연구결과 ... 118
• 제4절 결론 ... 143
• 제7장 연구내용 및 결과 IV : 황탈질 관정형 반응벽체 연구 ... 144
• 제1절 서론 ... 144
• 제2절 연구방법 ... 144
• 제3절 연구결과 ... 150
• 제4절 결론 ... 156
• 제8장 연구내용 및 결과 V : 현장 부지 특성화 ... 158
• 제1절 서론 ... 158
• 제2절 현장 개요 ... 158
• 제3절 연구방법 ... 163
• 제4절 지하수 유동 및 수질 특성 ... 165
• 제5절 대수층 물리탐사 ... 176
• 제6절 지하수 유동 모델링 ... 187
• 제7절 결론 ... 206
• 제9장 연구내용 및 결과 VI : 현장 정화 실험 연구 ... 208
• 제1절 관정형 반응벽체 설치 ... 208
• 제2절 관정형 반응벽체 설치 부지 특성 ... 208
• 제3절 관정형 반응벽체 수리시험 ... 223
• 제4절 관정형 반응벽체 내 오염물질 거동 모델링 ... 245
• 제5절 관정형 반응벽체 현장정화실험 ... 262
• 제6절 결론 ... 277
• 제10장 연구내용 및 결과 VII : 수치모델 개발 ... 278
• 제1절 서론 ... 278
• 제2절 모델 개발 내용 ... 280
• 제3절 결론 ... 297
• 제11장 연구내용 및 결과 VIII : 반응벽체 설계기준 ... 299
• 제1절 관정형 반응벽체 설계 ... 299
• 제2절 황탈질 관정형 반응벽체 기본 설계안 ... 299
• 제3절 당밀탈질 관정형 반응벽체 기본 설계안 ... 302
• 제12장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 307
• 제1절 연구개발 목표달성도 ... 307
• 제2절 대외 기여도 ... 309
• 제13장 연구개발결과의 활용계획 ... 311
• 제14장 연구개발과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 313
• 제1절 투수성 반응벽체 탈질기술의 최근 연구동향 ... 313
• 제2절 기후변화와 깨끗한 물 수요 : 세계 물 포럼 ... 317
• 참고문헌 ... 319
• 끝페이지 ... 330